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Los investigadores fijan el daño causado por las microburbujas en lesiones cerebrales

Diga que hay un ataque con bomba en una base militar. Algunos de los soldados sufren conmociones cerebrales y otras lesiones cerebrales. ¿Se podrían algunos de los daños causar por las burbujas minúsculas que forman y se desploman dentro del cráneo durante traumatismo craneal?

Los investigadores en la universidad de estado de Iowa, con el apoyo de concesiones de la oficina de la investigación naval, están utilizando su experiencia con la manufactura de microestructuras para estudiar y para describir el daño a las neuronas causadas por la formación y el colapso de microburbujas - un proceso conocido como formación de cavidades.

Los investigadores denuncian sus conclusión en un papel ofrecido en la tapa de la aplicación de julio de 2020 los retos globales del gorrón de la investigación. Los autores importantes son Nicole Hashemi, profesor adjunto del estado de Iowa de la ingeniería industrial, y Alex Wrede, estudiante doctoral anterior y socio de investigación postdoctoral en el laboratorio de Hashemi. (Véase la barra lateral para los otros co-autores.)

Los investigadores escriben que las microburbujas medidas en los micrones - que es millionths de un contador - pueden formar en líquido espinal cerebral dentro del cráneo durante lesiones cerebrales traumáticas.

Los investigadores escribieron la “formación y el colapso dramático” de estas microburbujas podría ser responsable de algo del daño en una lesión cerebral.

El daño de la burbuja puede sonar trivial. Pero el colapso de la burbuja, y las ondas expansivas resultantes, se saben para dañar los asientos de acero de las hélices del barco. Los investigadores denuncian que los estudios anteriores indican que la extensión y el colapso de microburbujas crea las fuerzas de 0,1 a 20 megapascals, o 14,5 a 2.900 libras por pulgada cuadrada.

“… Es tan alarmante realizar el daño que la formación de cavidades inflige en el tejido cerebral vulnerable,” los investigadores escribió.

Buscar cambios en neuronas

Para probar y caracterizar el impacto de la formación de cavidades dentro del cráneo, los investigadores simularon un cerebro creando una plataforma del cultivo celular 3D para las células astrocytic (las células asteroides en el cerebro y la médula espinal que son activas en soportar, manteniendo y reparando el sistema nervioso central). Sumergieron la plataforma del cultivo celular en un pequeño tanque y crearon microburbujas alrededor de 60 millionths de un contador de tamaño. Algunas de las microburbujas se adhirieron al andamio célula-cargado de la microfibra.

Los investigadores giraron un dispositivo ultrasónico en el tanque, desplomándose las microburbujas y creando la formación de cavidades. (También utilizaron el dispositivo ultrasónico en un grupo de mando de las células que no fueron expuestas a la formación de cavidades.)

Los investigadores buscaron dos clases de efectos:

Primero, utilizaron un microscopio invertido para registrar cualquier cambio morfológico a las células. En segundo lugar, trabajaron con los colegas en la universidad de estado de Iowa de la veterinaría para fijar si había cambios genéticos en las células.

Los investigadores encontraron que la formación de cavidades hizo las células encogerse y que puso ásperas sus superficies. Las células aparecían alargar y crecer cuando las imágenes fueron tardadas 22 y 48 horas después de la formación de cavidades. Sin embargo, los investigadores encontraron incremento de la célula después de 48 horas en términos de superficie - estaba sobre mitad tanto como las células del mando.

Los investigadores también encontraron que las células dañadas por la formación de cavidades habían elevado la expresión de los genes tales como TNF-α e IL-6, que se asocian a condiciones inflamatorias tales como infección con el virus SARS-CoV-2 y desordenes neurológicos tales como Parkinson y enfermedades de Alzheimer.

“Tomado juntos, estos resultados confirman que la formación de cavidades circundante es perjudicial a la función astrocytic,” a los investigadores escribieron.

Diseño de mejores cascos

Hashemi dijo mientras que los doctores buscan los tratamientos para el daño cerebral causado por la formación de cavidades, ella dijo que los ingenieros pueden trabajar para determinar los lugares en el cerebro donde está más probable la formación de cavidades de ocurrir.

“Un mapa de situación del acontecimiento de la formación de cavidades se puede utilizar directamente para diseñar un casco que humedezca la fuerza y reduzca la posibilidad de la formación de cavidades,” los investigadores escribió.

Y mientras que este estudio se centra en cascos militares, Hashemi dijo que las mismas ideas se podrían aplicar a los cascos para el fútbol y otros deportes.

Esta investigación está observando usos del campo de batalla, pero en fútbol hay impactos similares y ondas expansivas. Los jugadores consiguen formas suaves de la lesión cerebral traumática. Los jugadores no pudieron realizarla, pero los efectos de los daños de la formación de cavidades estarían allí.”

Nicole Hashemi, profesor adjunto de la ingeniería industrial, universidad de estado de Iowa

Wrede, el estudiante de tercer ciclo anterior de Hashemi que ahora está trabajando como los sistemas dinámicos que modelaban al ingeniero para John Deere en Dubuque, dijeron el proyecto le ha enseñado que hay gran necesidad de más investigación y desarrollo.

“La gente que ha servido nuestro país y se vuelve con daños está confiando realmente en la investigación para encontrar respuestas,” él dijo. Las “respuestas podían perfeccionar la calidad de vida para nuestros veteranos y todos bastante lamentables para pasar a través de lesión cerebral traumática.”

Source:
Journal reference:

Wrede, A.H., et al. (2020) Characterization of Astrocytic Response after Experiencing Cavitation In Vitro. Global Challenges. doi.org/10.1002/gch2.201900014.